基于無創(chuàng)式實時手術(shù)定位導(dǎo)航設(shè)備的骨科手術(shù)機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于無創(chuàng)式實時手術(shù)定位導(dǎo)航設(shè)備的骨科手術(shù)機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)手術(shù)方式下，醫(yī)生主要憑借視覺的主觀判斷和積累的手術(shù)臨床經(jīng)驗來決定手術(shù)路徑。特別是針對一些較為隱蔽的器官，即使經(jīng)驗很豐富的外科醫(yī)生有時在手術(shù)中也不能完全確認(rèn)手術(shù)器械當(dāng)前所在的準(zhǔn)確位置，存在一定的失敗率，尤其是高難度手術(shù)，比如頸椎手術(shù)，存在一定死亡率和致殘率。此外，長時間的手術(shù)操作，會醫(yī)生會是一個極大的體力負(fù)擔(dān)，醫(yī)生容易發(fā)生疲勞，影響手術(shù)效果。
[0003]目前，世界上很多國家都致力于開發(fā)各種手術(shù)機(jī)器人，來克服人手操作的不足。手術(shù)機(jī)器人具有人手無法比擬的高穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，超越了肉眼和人手的局限，且由此完成的手術(shù)創(chuàng)傷更小、失血更少，患者在術(shù)后恢復(fù)更快，愈合更好，能縮短住院時間。
[0004]目前手術(shù)機(jī)器人的建構(gòu)方式主要是三維圖像導(dǎo)航與機(jī)械臂相結(jié)合。專利號為02158691.8的專利，“計算機(jī)輔助髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定系統(tǒng)”，利用計算機(jī)視覺的三維導(dǎo)航原理，實現(xiàn)手術(shù)路徑的快速定位，從而實現(xiàn)髓內(nèi)釘固定的半自動化。專利號為200910237998.6的專利“骨科手術(shù)機(jī)器人輔助裝置及定位系統(tǒng)”，同樣也是利用三維導(dǎo)航實現(xiàn)了多個位置的骨固定術(shù)。
[0005]但由于采用這種建構(gòu)方式，這類手術(shù)機(jī)器人在使用過程中存在缺陷與不足:1.需要固定參考架，不僅給患者帶來額外的創(chuàng)傷，而且如果參考架術(shù)中移位(骨折塊移動、骨折疏松等)，則會發(fā)生定位錯位，影響手術(shù)精度;2.需要三維重建，這不僅增加患者額外的輻射暴露，圖像采集及三維重建同樣也增加了手術(shù)時間。
[0006]為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，我們擬開發(fā)的手術(shù)機(jī)器人，采用了一種創(chuàng)新的建構(gòu)模型一二維圖像導(dǎo)航，精度高、輻射低、實時、無創(chuàng)。該設(shè)備適配二維轉(zhuǎn)三維裝置，實現(xiàn)極低輻射的三維導(dǎo)航。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于無創(chuàng)式實時手術(shù)定位導(dǎo)航設(shè)備的骨科手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)方案，能夠快速、精確的建立微創(chuàng)手術(shù)的手術(shù)通道，增加手術(shù)安全性，提高手術(shù)準(zhǔn)確率，同時減少輻射暴露及減少手術(shù)創(chuàng)傷。
[0008]所述的基于無創(chuàng)式實時手術(shù)定位導(dǎo)航設(shè)備的骨科手術(shù)機(jī)器人，其特征在于包括手術(shù)床、固定裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和機(jī)械手，手術(shù)床上滑動設(shè)置固定裝置，固定裝置上方設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一側(cè)設(shè)置機(jī)械臂，機(jī)械臂內(nèi)卡接設(shè)置機(jī)械手。
[0009]所述的基于無創(chuàng)式實時手術(shù)定位導(dǎo)航設(shè)備的骨科手術(shù)機(jī)器人，其特征在于:
所述的手術(shù)床，其與固定裝置通過軌道連接，軌道上具有鎖定裝置，能在軌道的任意位置進(jìn)行鎖定；
所述的固定裝置，其包括水平移動機(jī)構(gòu)、垂直移動機(jī)構(gòu)和肢體夾緊裝置，水平移動機(jī)構(gòu)通過軌道副與手術(shù)床連接，用于機(jī)器人的初步定位;垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)通過螺旋副來控制升降，用于適用不同體厚的患者;肢體夾緊裝置為一對固定夾，通過手柄調(diào)整固定夾位置能夠夾緊患者的肢體；
所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于固定裝置的平臺上，用于激光線的捕捉和把持;執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括上平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)和下平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，上平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括了上平面X向移動機(jī)構(gòu)和上平面Y向移動機(jī)構(gòu)，上平面X向移動機(jī)構(gòu)上設(shè)有上平面激光點捕捉面板;下平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括了下平面X向移動機(jī)構(gòu)和下平面Y向移動機(jī)構(gòu)，下平面X向移動機(jī)構(gòu)上設(shè)有下平面激光點捕捉面板；
所述的機(jī)械臂，其與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械手連接，具有繞正交兩軸旋轉(zhuǎn)的自由度，旋轉(zhuǎn)中心點在夾持的機(jī)械手的幾何軸線上;機(jī)械臂包括機(jī)械臂基座、旋轉(zhuǎn)軸和圓弧型夾持機(jī)構(gòu)，圓弧型夾持機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)械臂基座內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸一端連接機(jī)械臂基座，旋轉(zhuǎn)軸另一端連接上平面X向移動機(jī)構(gòu)或下平面X向移動機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸能夠在上平面X向移動機(jī)構(gòu)或下平面X向移動機(jī)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)動；圓弧型夾持機(jī)構(gòu)包括相向設(shè)置的一對帶外齒弧形爪、小齒輪、復(fù)位彈簧和齒條，小齒輪通過軸轉(zhuǎn)動設(shè)置在圓弧型夾持機(jī)構(gòu)的殼體上，帶外齒弧形爪與齒條通過小齒輪嚙合且?guī)恺X弧形爪與齒條相向運(yùn)動，齒條與圓弧型夾持機(jī)構(gòu)的殼體側(cè)壁之間設(shè)置用于對齒條復(fù)位的復(fù)位彈簧；
所述的機(jī)械手，其卡接設(shè)置在機(jī)械臂的圓弧型夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)；機(jī)械手包括鋼針夾持機(jī)構(gòu)、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向移動機(jī)構(gòu)、上極限位置行程開關(guān)和下極限位置行程開關(guān)，其中鋼針夾持機(jī)構(gòu)與軸向移動機(jī)構(gòu)的主軸連接，上極限位置行程開關(guān)和下極限位置行程開關(guān)安裝在行程的上限位置和下限位置;鋼針夾持機(jī)構(gòu)主要由卡爪、卡爪固定軸及殼體組成，其中卡爪通過卡爪固定軸固定在殼體上；主軸處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，鋼針夾持機(jī)構(gòu)中的卡爪的尾部由于離心力的作用向外甩出，整個卡爪繞卡爪固定軸旋轉(zhuǎn)，則卡爪的頭部向心夾緊鋼針，三個卡爪同時運(yùn)動時，即可完成對鋼針的夾持動作;高速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由高速電機(jī)軟軸輸入軸、斜齒輪和帶花鍵斜齒輪組成，其中的帶花鍵斜齒輪與軸向移動機(jī)構(gòu)的主軸通過花鍵副連接，斜齒輪設(shè)置在高速電機(jī)軟軸輸入軸上，斜齒輪與帶花鍵斜齒輪嚙合，高速電機(jī)通過軟軸將動力傳遞到高速電機(jī)軟軸輸入軸，高速電機(jī)軟軸輸入軸再帶動斜齒輪運(yùn)動，斜齒輪再驅(qū)動帶花鍵斜齒輪，最后帶花鍵斜齒輪通過花鍵副帶動軸向移動機(jī)構(gòu)的主軸，使其獲得高速旋轉(zhuǎn)的動力；軸向移動機(jī)構(gòu)主要由軸向電機(jī)軟軸輸入軸、主軸、平面齒輪、齒條型軸向移動機(jī)身和角接觸軸承組成，其中角接觸軸承的外圈與齒條型軸向移動機(jī)身的內(nèi)孔連接，角接觸軸承的內(nèi)圈與主軸的軸連接，軸向電機(jī)通過軟軸將動力傳遞到軸向電機(jī)軟軸輸入軸上，再由軸向電機(jī)軟軸輸入軸帶動平面齒輪，平面齒輪通過齒輪齒條傳動的方式驅(qū)動齒條型軸向移動機(jī)身的軸向運(yùn)動，最終通過角接觸軸承來實現(xiàn)主軸在高速旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行軸向運(yùn)動；通過鋼針夾持機(jī)構(gòu)、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向移動機(jī)構(gòu)的聯(lián)動，實現(xiàn)2mm鋼針的置針穿刺動作。
[0010]所述的基于無創(chuàng)式實時手術(shù)定位導(dǎo)航設(shè)備的骨科手術(shù)機(jī)器人，其特征在于所述上平面激光點捕捉面板和下平面激光點捕捉面板上均設(shè)置有一個黑色的十字標(biāo)志點，激光線穿過上平面激光點捕捉面板的十字標(biāo)志點和下平面激光點捕捉面板的十字標(biāo)志點時即捕捉到激光線的位置。
[0011]本發(fā)明的固定裝置具有很高的操作靈活性，通過水平移動機(jī)構(gòu)可以快速的將骨科手術(shù)機(jī)器人移動至定位激光線附近，即縮短了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的捕捉行程，又增大了骨科手術(shù)機(jī)器人的工作范圍；固定裝置中還包括固定夾和垂直移動機(jī)構(gòu)，其中的固定夾可以快速方便的固定患者的肢體，而垂直移動機(jī)構(gòu)則可以實現(xiàn)高度方向上的大幅度調(diào)整，從而可以根據(jù)手術(shù)床上的患者的肢體的高度情況對骨科手術(shù)機(jī)器人在高度方向上作相應(yīng)的調(diào)整，使得骨科手術(shù)機(jī)器人被調(diào)整到最佳的擺放位置，即將機(jī)械手調(diào)整到了最合適的初始高度位置。整個調(diào)整過程簡單、便捷，減少了骨科手術(shù)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整時間，從而使手術(shù)更加的方便。
[0012]本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括上平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)和下平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其中上平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)中又包括有上平面激光點捕捉面板，下平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)中又包括有下平面激光點捕捉面板，通過兩個激光捕捉面板依次去捕捉定位激光線與面板的相交點，通過兩點一線的方式來確定需要捕捉的那條定位激光線。這樣便簡單的實現(xiàn)了定位激光線的精確捕捉。完成捕捉后，上平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)和下平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的電機(jī)分別自動鎖定，便實現(xiàn)了定位激光線的把持功會K。
[0013]本發(fā)明的機(jī)械臂分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械手連接，具有繞正交兩軸旋轉(zhuǎn)的自由度。本發(fā)明包含有兩個機(jī)械臂，兩個機(jī)械臂的末端旋轉(zhuǎn)軸分別與執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的上平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)和下平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)相連接。兩個機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)中心分別為上平面激光點捕捉面板和下平面激光點捕捉面板捕捉到的激光點。其中機(jī)械臂、機(jī)械手均為可消毒部件。機(jī)械臂末端旋轉(zhuǎn)軸插入執(zhí)行機(jī)構(gòu)后便自動鎖定，實現(xiàn)機(jī)械手與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的隔離，防止機(jī)械手在安裝使用中被污染。這樣便無需在手術(shù)前后對骨科手術(shù)機(jī)器人的各大部件進(jìn)行高溫蒸煮等消毒滅菌處理，也就解決了無需在手術(shù)前后對骨科手術(shù)機(jī)器人的各部件進(jìn)行組裝、拆卸，更加解決了骨科手術(shù)機(jī)器人的某些部件根本無法進(jìn)行常規(guī)的高溫蒸煮消毒滅菌的問題。
[0014]本發(fā)明的機(jī)械臂還設(shè)置有自動復(fù)位的圓弧型夾持機(jī)構(gòu)。該圓弧型夾持機(jī)構(gòu)與機(jī)械手的外圓弧表面精確配合，通過具有自動復(fù)位功能的圓弧型夾持機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)機(jī)械手的快速安裝和拆卸。這樣醫(yī)生在手術(shù)中可以根據(jù)手術(shù)的需求來更換不同的機(jī)械手，同時該置換機(jī)械手的操作模式又增強(qiáng)了骨科手術(shù)機(jī)器人的可拓展性，可以適用于多種應(yīng)用。